Hücreler Dolaşmış DNA’yı Düzgün Kromozomlar Şeklinde Nasıl Paketliyor? »BilimFili.com
Araştırmacılar proteinlerin DNA ilmeklerini nasıl tutup, hücre bölünmesi için bohçaladığını sonunda anladı. Keşif ayrıca gen ifadesini düzenlemek için genomun nasıl katlandığı konusunda da ipucu veriy..
Görsel Telif: Dr. Anton Goloborodko
Bir insan hücresi, çekirdeğinde iki metre uzunluğunda sarmallaşmış DNA taşır. Bu DNA, 46 tane ince, çift helisli moleküle yani kromozomlara bölünmüş durumdadır. Zamanın büyük bölümünde bu DNA dolaşmış bir yün yumağına benzer; yayılmış, dağılmış, düzensiz. Ama bu dağınıklık, hücrelerin genetik malzemelerinin kopyasını yapıp ikiye bölünmelerinin gerektiği mitoz sırasında sorun anlamına gelir. Hazırlık aşamasında, DNA sıkı paketlenmiş, sosis benzeri çubuklar şekline yani kromozomların en bilinen biçimine getirilerek, hücre toparlanır. Bilimciler bu süreci onlarca yıl boyu mikroskopla izledi: DNA yoğunlaşıyor ve giderek kısalıp genişleyen ayrık birimler hâlinde organize oluyor. Ama genomun bu yapının içinde nasıl katlanıyor olduğu (belli ki büzüşmekten ibaret değil) gizemini koruyordu. Massachusetts Tıp Okulu’ndan biyokimyacı Job Dekker, bunun genetiğin merkezinde olduğunu, kalıtımın bu temel özelliğinin öteden beri büyük bir bilmece olduğunu belirtiyor.
Bu bilmeceyi çözmek için Dekker, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) biyofizikçisi Leonid Mirny ve İskoçya Edinburgh Üniversitesi biyoloğu William Earnshaw ile bir ekip oluşturdu. Üçlü ve çalışma arkadaşları, hücre bölünmesi sırasında yoğuşuk kromozomların nasıl oluştuğunu anlamak için görüntüleme, modelleme ve genomik tekniklerini bir araya getirdi. Elde ettikleri sonuçlar, sırayla iki protein kompleksinin, helisel bir omurga boyunca sımsıkı ilmeklerden oluşan diziler şeklinde DNA’yı organize ettiğine işaret ediyordu ve Ocak 2018’de Science dergisinde yayımlandı. Aynı dergide Şubat 2018’de yayımlanan bir başka ekibin makalesi de, Dekker’ın ekibinin sonuçlarını deneysel kanıtla kısmen doğrulamış oldu.
Bir hücre bölünmeye hazırlanırken, DNA’sı yoğuşarak kromozomların ünlü biçimini alır. (DOI: 10.1126/science.aao6135)
Araştırmacılar, kromozomların değişimini izlemek için mikroskopla dakika dakika veri toplamanın yanı sıra, Hi-C (genomdaki dizilim çiftlerinin ne sıklıkta birbirleriyle etkileştiklerinin haritasını sunar) adı verilen bir teknoloji kullandı. Daha sonra, verilere uyacak çok gelişmiş bilgisayar simülasyonları ürettiler; böylece kromozomların yoğuşurken izlediği üç boyutlu yolu hesaplayabildiler.
Kurdukları model, kondensin II (İng. condensin II) adı verilen, bağlantılı iki motordan oluşan halka şeklinde bir protein molekülünün, mitoza hazırlık aşamasında DNA üzerinde iniş yaptığını belirledi. Motorlar birbirlerine bağlı kalarak, iplik boyunca ters yönlerde ilerliyordu. Böylece bir ilmek oluşturuyorlardı ve motorlar ilerlemeyi sürdürdükçe ilmek giderek büyüyordu. Bu protein moleküllerinden onbinlercesi işlerini yaptıkça, bir dizi ilmek beliriyordu. Her bir ilmeğin altında konumlanan halka benzeri proteinler, ilmeklerin çıktığı merkezcil bir iskele yaratıyor ve kromozomun bütünü daha kısa ve sert duruma geliyordu.
Bilimciler, mayada bir DNA ilmeğini fışkırtan yalıtılmış bir kondensin molekülünü gözlemledi. Kondensin, DNA ilmeğini kapalı tutuyor ve ilmeği büyütmek için tek taraftan ipliği çekiyor. (Cees Dekker lab TU Delft)
Bu sonuçlar, DNA’nın nasıl paketlendiğine ilişkin önceden yapılmış bir öneri olan ilmek fışkırması fikrini destekledi. İlmek fışkırması, Mirny’e göre, ikilenen kromozomların düğümlenip dolaşmasının engellenmesinden de sorumlu durumda ve ilmeklenmiş yapının mekaniği, kardeş kromatitlerin birbirlerini itmesine neden oluyor. Bilimcilerin bir sonraki gözlemi ise daha da şaşırtıcıydı ve ilmek fışkırması hipotezini daha fazla ayrıntılandırmalarını sağladı.
Yaklaşık 10 dakika sonra, kromozomları bir arada tutan çekirdeksel zarf parçalanarak, halka biçimli ikinci bir proteinin yani kondensin I proteininin DNA’ya girmesine olanak tanıyordu. Bu moleküller, hâlihazırda oluşmuş durumdaki ilmekler üzerinde ilmek fışkırması gerçekleştirerek, her birini ortalama beş tane daha küçük ilmeğe bölüyordu. İlmekleri bu şekilde iç içe yerleştirmek, kromozomun daralmasını sağlıyor ve başlangıçtaki ilmeklerin birbirleriyle karışacak ya da etkileşecek kadar büyümelerini önlüyordu.
15 dakika kadar sonra, bu ilmekler oluşurken, Hi-C verileri araştırmacıları daha da şaşırtan bir şey gösterdi. Tipik olarak, DNA ipliği üzerinde birbirlerine yakın konumda bulunan dizilimlerin etkileşme olasılığı daha fazla iken, uzak olanlar için bu olasılık daha azdır. Ama ekibin ölçümleri, dizilimler arası uzaklık iyice arttığında, etkileşme olasılıklarının yine yükseldiğini gösteriyordu. Mirny, verilere ilk göz atışlarında, böyle bir şeyi daha önce hiç görmediklerini fark ettiklerini anlatıyor. Kurdukları model, kondensin II moleküllerinin, tıpkı Fransa’daki Chambord Kalesi’nde bulunan ünlü Leonardo merdiveni gibi helisel bir omurga oluşturduklarına işaret ediyordu. İç içe yerleştirilmiş DNA ilmekleri, bu sarmallaşan omurgadan tıpkı basamaklar gibi çıkıyor ve kromozomu karakterize eden silindirik konfigürasyon biçiminde sıkıca paketleniyorlardı. “Böylece bu tek süreç, anında üç problemi birden çözüyor. Bir omurga oluşturuyor, kromozomu çizgisel (lineer) biçimde düzenliyor ve onun ince uzun bir nesne hâlini almasını sağlayacak şekilde sıkıştırıyor,” diye açıklıyor Mirny.
Araştırmacıların modeline göre, kromozom katlanması sürecinin başlıca yönlerinden biri iç içe yerleştirilmiş ilmeklerin oluşumu. Önce, halka biçimli bir motor protein (kırmızı) DNA üzerine iniyor ve bir ilmek fışkırtıyor. Sonra, ikinci bir protein (mavi) o ilmeğin üstünden başka ilmekler fışkırtıyor. Çok sayıda böyle molekül tüm DNA boyunca bunu yaptığında, kromozom sıkıştırılmış oluyor. (Dr. Anton Goloborodko)
Dekker, gerçekten çok şaşırdıklarını ekliyor; sadece ilmeklerin helisel bir eksen boyunca dönüşlerini hiç gözlemlemedikleri için değil, ayrıca bu bulgunun daha temel bir tartışmaya değinmesi açısından da çok şaşırmışlar. Yani acaba kromozomlar bir dizi ilmekten mi ibaret, yoksa sarmallaşıyorlar mı? Eğer sarmallaşıyorlarsa, makaraya sarılan şey kromozomun bütünü mü, yoksa sadece iç iskele mi? Yeni çalışma ikincisine işaret ediyor; araştırmacılar önceki helisle ilgili hipotezi deneysel yöntemlere atfediyor, yani kromozomlar yalıtılırken yapılan işlemin, aşırı sarmallaşmayı arttırdığını belirtiyorlar. “Yaptığımız çalışma, insanların yıllar içinde biriktirdiği çok sayıda gözlemi birleştiriyor,” diyor Dekker. “Bu analiz, devrimsel ölçüde bir açıklık getiriyor. Komozomların bu geç aşamalarda nasıl organize olduklarını anlama konusunda çığır açıyor,” diyor Harvard Üniversitesi’nden moleküler biyolog Nancy Kleckner.
Bu alanda çalışan diğer uzmanlar sonuçları o kadar da şaşırtıcı bulmayıp, sağladığı ayrıntılar bakımından çalışmanın daha dikkate değer olduğunu düşünüyorlar. Fransa Sorbonne Üniversitesi’nden biyofizikçi Julien Mozziconacci’ye göre, araştırmacıların betimlediği kromozomal düzenlemenin ipuçları zaten “ortalıkta”ydı. Çalışmanın asıl yeni yanının, araştırmacıların zamanın fonksiyonu olarak topladığı Hi-C verilerinde yattığını söylüyor Mozziconacci. Bu veriler, spesifik sınırlandırmaları belirlemeye olanak tanıyor; ilmeklerin ve helisel dönüşlerin büyüklüğü gibi.
Bu süreçte kondensinlerin rol oynadığı bir süredir bilinmesine (ve ekibin şimdi “kromozomları katlamak için hücrelerin kullandığı moleküler eller”in daha spesifik rollerini belirlemesine) rağmen, bilimcilerin hâlâ onların bunu tam olarak nasıl yaptığını anlamadıklarını Dekker hatırlatıyor. “Eğer kondensin mitotik kromozomları bu şekilde düzenliyorsa, bunu nasıl yapıyor?” diyor Oxford Üniversitesi’nden biyokimyacı Kim Nasmyth; kendisi ilmek fışkırması hipotezinin öncülerinden biri. “Moleküler mekanizmayı anlayana kadar, kondensinin kesin olarak tüm bunların sorumlusu olduğundan emin olamayız,” diye ekliyor.
Almanya’da bulunan Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’ndan biyokimyacı Christian Häring ve Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden biyofizikçi Cees Dekker, bu noktada tabloya dahil oluyor. 2017 yılında, ikili ve çalışma arkadaşları ilk kez olarak bir test tüpünde, kondensinin DNA boyunca ilerlediğini doğrudan gösterdi; ilmek fışkırmasının doğru olması için bu bir önkoşuldu. Şubat 2018’de yayımlanan makalelerinde ise mayada bir DNA ilmeğini fışkırtan yalıtılmış bir kondensin molekülüne anlık (gerçek zamanlı) olarak tanıklık ettiklerini raporladılar. Häring, sonunda bunun gerçekleştiğine ilişkin görsel kanıt elde ettiklerini belirtti.
Olay, neredeyse tam olarak Mirny ve ekibinin öngördüğü şekilde gerçekleşiyordu. Sadece test tüpündeki (in vitro) deneyde ilmekler asimetrik olarak oluşuyordu: Kondensin, DNA üzerine iniyor ve sadece tek taraftan sarım yapıyordu; Mirny’nin başlangıçta varsaydığı gibi çift yönden değil. (Deneyler mayadan alınan kondensin ile yapıldığından ve her seferde sadece tek bir molekül incelendiğinden, Mirny’nin modellerinin diğer yönlerini, yani iç içe yerleştirilmiş ilmekleri ve helisel omurgayı doğrulama veya yanlışlama söz konusu değil.)
Bölünen bir hücrenin kromozomunun kesitinin çizimi. Halka biçimli protein molekülleri, DNA’yı merkezsel bir eksenden çıkan iç içe geçmiş ilmekler şeklinde katlıyor. (Dr. Anton Goloborodko)
Araştırmacılar bu biyokimyayı bütünüyle ortaya koyduğunda ve kromozomların kendini nasıl çözdüğüne ilişkin benzer çalışmalar yürütüldüğünde, Job Dekker ve Mirny, çalışmalarının çeşitli uygulamaları olabileceğini düşünüyor. Örneğin araştırma, potansiyel kanser tedavilerinde rol oynayabilir. Kanser hücreleri hızlı ve sıkça bölünür, “o yüzden bu süreç hakkında öğreneceğimiz her şey, bu tür hücrelerin spesifik olarak hedeflenmesine yardım edebilir,” diyor Dekker.
Ayrıca bölünmekte olmayan hücrelerin kromozomlarında da neler olduğuna ışık tutabilir. Job Dekker, çalışmalarının aslında kromozomlarla ilgilli her şeye katkısının olacağını düşünüyor. Üzerinde çalıştıkları kondensinlerin yakın bir akrabası var: DNA sıkıştırılmıyorken bile genomun organize edilmesi ve ilmeklerin yaratılmasına yardım eden kohezinler. Bu katlama süreci gen ifadesini etkileyebilir. İlmek fışkırması aslında, büyüyen ya da büzüşen ilmeğin alt kısmındaki lokus çiftlerini bir araya getirir; bu gen düzenlemesi sırasında (bir genin, kromozomun uzak bir yerindeki bir düzenleyici eleman ile fiziksel temasta bulunması gerektiğinde) gayet olabilecek bir şeydir. “Artık bu süreci incelemek için elimizde çok güçlü bir sistem var,” diyor Dekker.
Mirny, bu tip bir katlanmanın, şekil ve yapıdaki aktif değişimlerle ilgili olan başka hücresel süreçlere de ışık tutabileceğine dikkat çekiyor. Proteinler etkileşimlerle katlanırken, hareketsel (motor) süreçler sitoplazmadaki hücre iskeletini oluşturur. Mirny, kromozomların bu ikisi arasında bir şey olabileceğini fark ettiklerini ve çalışmalarını sürdüreceklerini söylüyor.
How Cells Pack Tangled DNA Into Neat Chromosomes https://www.quantamagazine.org/how-cells-pack-tangled-dna-into-neat-chromosomes-20180222/